量子阱：实现高效能量收集的途径

科学家首次展示最有效的“光学整流天线”器件，该器件可从热能中获取能量

科罗拉多大学博尔德分校的科学家已经利用电子的特殊特性来设计可以捕获周围环境中多余热量并将其转化为可用电能的器件。

研究人员在《自然通讯》杂志上发表的一篇论文中描述了他们的新“光学整流天线”。

这些微型器件的效率大约比用于能量收集的类似工具高100倍。它们通过共振隧穿进行工作-在共振隧穿中，电子无需消耗任何能量即可穿过固体物质。

主要作者阿米娜·贝尔卡迪（Amina Belkadi）说：“它们像鬼魂一样进入。”

天线包括一个吸收辐射的天线和一个将能量转换成直流电流的二极管。

金属双绝缘体金属（MI2M）二极管的谐振隧穿效应已被预测了二十多年，但是在能量收集整流天线应用所需的低电压下，尚无实验证明。

该团队使用量子阱工程技术演示了Ni / NiO / Al₂O₃ / Cr / Au MI2M结构中共振隧穿效应。通过改变绝缘体的厚度来修改MI2M量子阱的深度和宽度，他们表明可以在接近零偏置的情况下达到谐振准约束状态，其中，当二极管受到30 THz照明的天线驱动时，二极管会产生自偏置。

与当前的最新技术相比，这将使能量转换效率提高了100倍以上，从而提供了设计高效的能量收集整流天线的可能性。

 “我们首次证明了电子在能量收集光学整流天线中发生共振隧穿。” 贝尔卡迪说，“到目前为止，这只是理论上的可能性。”

“如果选择正确的材料并以合适的厚度获得它们，那么它将在电子看不见电阻的情况下产生这种能级，”他补充说。 “他们只是快速地穿过。”

这意味着更大的力量。

为了测试这种效果，Belkadi和她的同事们在实验室的加热板上排列了一个大约25万个整流天线的网络，这些天线的形状像个小蝴蝶结。然后他们启动加热。

这些器件只能吸收不到1％的热板产生的热量。但是Belkadi认为这些数字只会上升。

她说：“如果我们使用不同的材料或更换绝缘体，那么我们也许可以做得更好。” “阱越深，能通过的电子越多。”

该研究的合著者，欧洲电子工程师学会（ECEE）教授Garret Moddel说，这项研究是这项技术的一项重大进步。

“这项创新朝着使整流天线更加实用迈出了重要的一步。” 他说，“目前，效率确实很低，但还会提高。”

此类器件是可再生能源领域潜在的游戏规则改变者。从理论上讲，工作中的整流天线可以从工厂的烟囱或面包店烤箱中获取热量，否则这些热量将被浪费掉。一些科学家甚至建议将这些器件安装在飞船上，该飞船将在地球表面上方高空飞行，以捕获从地球辐射到外太空的能量。

'Demonstration of resonant tunneling effects in metal-double-insulator-metal (MI2M) diodes' by Amina Belkadi et al; Nature Communications volume 12 (2021)